PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA · cantidad de energía al paciente – ¿es cierto o falso? IAEA Parte 2. ... •Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua rastreador

IAEA International Atomic Energy Agency

OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia

PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN

RADIOTERAPIA

Parte 2

Física de las Radiaciones

Conferencia 2: Dosimetría y Equipos

IAEA Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 2

Fundamentos

La dosis de radiación que se entrega al tejido blanco y sus zonas adyacentes es uno de los principales medios para predecir el resultado del tratamiento de radioterapia (comparar con la parte 3 del curso). Generalmente se asume que la dosis ha de ser administrada con precisión, en el rango de +/-5% de la dosis prescrita, para garantizar se cumplan los objetivos del tratamiento.


Objetivos

Comprender la importancia de las dosis y la dosimetría de las radiaciones en radioterapia

Poder explicar la diferencia entre dosimetría absoluta y relativa

Poder debatir sobre las características de los dosímetros más empleados en radioterapia: cámaras de ionización, semiconductores, dosímetros termoluminiscentes (TLD) y fílmico.


Contenido de la Conferencia 2

1. Dosimetría absoluta y relativa

2. El ambiente dosimétrico:

maniquíes

3. Técnicas dosimétricas

• Fundamentos físicos

• Clases practicas


1. Dosimetría absoluta y relativa

• Dosimetría absoluta es una técnica que registra la información sobre la dosis absorbida directamente en Gy. Esta medición dosimétrica absoluta también se denomina calibración. Todas las mediciones ulteriores se comparan entonces con esta dosis conocida en condiciones de referencia. Esto significa …

• Realización de dosimetría relativa. En general en la dosimetría relativa no se requiere el empleo de coeficientes de conversión o de factores de corrección puesto que consiste solo en la comparación de dos lecturas de dosímetro, una de las cuales es la efectuada en condiciones de referencia


Dosimetría absoluta

• Se requiere para cada calidad de la radiación una vez

• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí

• Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, DFS a 100cm, dimensión de campo 1010cm2, profundidad 10cm

• Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)


Dosimetría absoluta

• Se requiere para cada calidad de la radiación una vez

• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí

• Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, FSD a 100cm, dimensión de campo 1010cm2, profundidad 10cm

• Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)


Pregunta rápida

Una dosis de 1Gy entrega una enorme

cantidad de energía al paciente – ¿es

cierto o falso?


Respuesta

FALSO – 1Gy = 1J/kg. La entrega de esta

cantidad de energía elevaría la temperatura del

tejido en menos de 0.001oC. Inclusive para una

persona de 100kg representa mucho menos de

la energía incorporada de un tazón de

desayuno con leche, cereales, o nueces – por

favor, nótese que la cantidad de energía en los

alimentos por lo general se especifica en su

paquete.


Dosimetría relativa

• Correlaciona la dosis bajo condiciones de no-referencia con la dosis bajo condiciones de referencia

• Por lo general se requieren al menos dos mediciones:

– Una en condiciones en que la dosis se ha de determinar

– Y otra en condiciones en que la dosis es conocida


Ejemplos de dosimetría relativa

• Caracterización del haz de radiación – Porciento de dosis en profundidad, relación tejido

máximo o similares

– Perfiles

• Determinación de los factores que influyen en el rendimiento – Factores de campo, factores del aplicador

– Factores del filtro, factores de la cuña

– Factores específicos del paciente (ej. bloqueadores de electrones)


Medición del porciento de dosis en profundidad

• Variación de la dosis en

el medio (generalmente

agua) con la

profundidad

• Incluye componentes

de atenuación y de la

ley del cuadrado

inverso


Porciento de dosis en profundidad

Correlaciona la

dosis a diferentes

profundidades en

agua (o en el

paciente) con la

dosis a la

profundidad

del máximo de

dosis – nótese

que el eje ‘y’ es

¡relativo!!!


TAR, TMR, TPR

• Dosimetría relativa para la geometría del tratamiento isocéntrico (comparar con la parte 5)

• Todo se puede convertir a porciento de dosis en profundidad

– TAR = cociente de la dosis en el maniquí, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis en el mismo punto, pero en aire

– TMR = cociente de la dosis, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis correspondiente a su valor máximo (posición fija del detector)

– TPR como TMR pero formando un cociente con la dosis en un punto de referencia (ej. 10cm de espesor de tejido)


TMR, TPR

• Simula las condiciones isocentricas

• TMR es un caso especial de TPR donde la profundidad en el maniquí de referencia es la profundidad correspondiente a la dosis máxima


PDD y TMR

El porciento de dosis en

profundidad (PDD) varía

con la distancia del paciente

a la fuente debido a

variaciones en la ley del

cuadrado inverso (ISL);

TAR, TMR y TPR no varían.

Fuerte

dependencia

ISL

Débil

dependencia ISL


Factores del rendimiento

Comparar la dosis con la dosis en

condiciones de referencia

• Diferentes dimensiones de campo

• Factor de cuña

• Factor de bandeja

• Factor de aplicador

• Factor de bloqueador de electrones


Ejemplo: factor de cuña

Dosis bajo

condiciones

de referencia

Puede también involucrar diferentes dimensiones de campo y/o

diferentes profundidades del detector en el maniquí


Pregunta rápida

¿La medición del espesor de

semirreducción o capa

hemirreductora para la determinación

de la calidad de los rayos X es

dosimetría absoluta o relativa?


Respuesta

Dosimetría relativa: • Relacionamos la dosis con diferentes filtros de

cobre o aluminio en el haz con la dosis sin filtros

para determinar qué espesor de filtro atenúa el

haz a la mitad de su intensidad original

• El resultado es independiente de la dosis real

dada – podemos medir por 10s o 20s o 60s cada

vez, mientras garanticemos que la irradiación es

idéntica para todas las mediciones.


2. El ambiente dosimétrico

Maniquíes • Un maniquí representa las propiedades del

paciente ante la radiación y permite la introducción de un detector de radiación dentro de este ambiente, tarea que sería difícil en un paciente real.

• Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua rastreador.

• De forma alternativa, el maniquí puede estar hecho de láminas de material simulador del tejido o incluso ser conformado como un cuerpo

humano (antropomorfo).


Maniquí de agua rastreador


Maniquíes de láminas


Materiales tejido equivalentes

• Muchos materiales fabricados con ese propósito, como el agua sólida (diapositiva anterior), el agua blanca, el agua plástica, …

• Poliestireno (bueno para haces de megavoltaje, no apropiado para fotones de baja energía)

• ‘Perspex’ (otras denominaciones: ‘PMMA’, ‘Plexiglas’) – composición tejido equivalente, pero con mayor densidad física – se necesita aplicar una corrección.


Maniquí antropomorfo

Maniquí de cuerpo completo: ART


Permite la colocación de detectores de radiación en el maniquí (aquí se muestran los TLDs)

Incluye

heterogeneidades


Maniquí RANDO

Sección de pulmón para CT

Cabeza con

orificios para TLD

torso


Maniquí pediátrico


Algunas observaciones respecto a los maniquíes

• Es esencial que sean probados antes de usarse – Mediciones físicas - peso, dimensiones

– Mediciones de radiación – escaneado CT, verificaciones de atenuación

• Se pueden emplear también alternativas más baratas – Cera para conformar maniquíes humanoides

– Corcho como equivalente del pulmón

• Son de utilidad mientras sean conocidas sus propiedades y limitaciones


3. Efectos y dosimetría de las radiaciones

Efecto de la radiación Método dosimétrico:

Ionización en gases Cámara de ionización

Ionización en líquidos Cámara de ionización llena de líquido

Ionización en sólidos Semiconductores

Luminiscencia Dosimetría por termoluminiscencia

Fluorescencia Detectores de centelleo

Transiciones químicas • Placa radiográfica • Dosimetría química • Dosimetría NMR

Calor Calorimetría

Efectos biológicos • Eritema • Daño cromosómico


Principios de la detección de las radiaciones

• Cámara de ionización

• Contador Geiger Muller

• Dosimetría por termoluminiscencia

• Fílmico

• Semiconductores


Detección de la ionización en aire

Adaptado de Collins 2001

Cámara de Ionización


Detección de la ionización en aire

Adaptado de Metcalfe 1998


Ionometría

Cámara de Ionización

• 200-400V

• Mide exposición, la

cual puede ser

convertida a dosis

• no muy sensible

Contador Geiger

• >700V

• Contabiliza todo

evento de ionización

• Contador de eventos,

no un dosímetro

• muy sensible


Cámaras de Ionización

Cámaras de tipo dedal

Cámara de 600cc


Sección transversal de una cámara tipo Farmer (de Metcalfe 1996)


Cámaras de ionización

• Cámara Farmer

de 0.6 cc con

electrómetro

• La cámara más

importante de la

dosimetría en

radioterapia


Electrómetro

Desde la cámara


Cámaras de ionización

• Volumen relativamente grande para una

señal pequeña (1Gy produce

aproximadamente 36nC en 1cc de aire)

• Para mejorar la resolución espacial al

menos en una dimensión, se emplean

cámaras del tipo de plano-paralelas.


Cámaras plano-paralelas

De Metcalfe et al 1996


Cámaras de ionización plano-paralelas

• Se emplean para

– Rayos X de baja energía (< 60 KV)

– Electrones de cualquier energía pero considerado

el método preferido para energías < 10 MeV, y

esencial para energías < 5 MeV

• Existen muchos tipos disponibles de

diferentes materiales y dimensiones

• Por lo general se vende en correspondencia

con un maniquí de láminas apropiado


Cámaras de Ionización plano-paralelas - ejemplos

Cámara Markus

• Pequeña

• Diseñada para

electrones

Cámara Holt

• Robusta

• Embebida en una

lámina de poliestireno


Cámara de ionización tipo pozo

Para la calibración de

fuentes de braquiterapia

Fuente de

braquiterapia


Medidores de tasa de dosis de tipo cámara de ionización

• No tan sensibles como los equipos G-M pero no resultan afectados por los haces pulsantes tal como ocurre con los aceleradores.

• Debido a lo anterior, este es el tipo de equipo preferido en los aceleradores de alta energía de radioterapia


Contador Geiger-Mueller

• No es un dosímetro – solo

un contador de eventos de

irradiación

• Muy sensible

• Ligero y conveniente para

su uso

• Apropiado para

miniaturización


Equipos Geiger-Mueller (G-M)

• Útil para

– Monitoreo de área

– Monitoreo de local

– Monitoreo del

personal

• Se requiere cuidado en zonas de alta

tasa de dosis o haces pulsantes puesto

que la lectura puede ser imprecisa


Dosimetría por termoluminiscencia (TLD)

• Pequeños cristales

• Muchos materiales diferentes

• Dosímetro pasivo – no requiere cables

• Amplio rango dosimétrico ( Gy a 100s

de Gy)

• Muchas aplicaciones diferentes


Varios tipos de TLD


Esquema simplificado del proceso del TLD

CALENTAMIENTO

radiación ionizante

trampa de

electrones

luz visible

1 2

Banda de Conducción

Banda de Valencia


Curvas de termoluminiscencia

TRAMPAS MÚLTIPLES

dE 1

dE 3 dE

2

Banda de Valencia


temperature (oC)

0 50 100 150 200 250

sig

na

l in

ten

sity (

arb

itra

ry u

nits)

0.0

0.5

1.0

1.5

I

II

III

IV and V

VI


Curvas termoluminiscencia

• Posibilitan la investigación

• Constituyen poderosas herramientas de garantía

de calidad - ¿Se ven bien las curvas

termoluminiscencia?

• Se pueden utilizar en evaluaciones ulteriores

• Posibilitan mejorar la precisión mediante la

deconvolución de la curva termoluminiscencia


La influencia de diferentes aditivos (dopants)

Impurezas Tipo 1

Impurezas Tipo 2

Luz


Banda de Valencia


Importancia del tratamiento térmico

• Determina el arreglo de las impurezas

– Sensibilidad

• ...

– Desvanecimiento (fading)

– Respuesta a diferentes características de la

radiación

• Mantener estable el tratamiento térmico


Respuesta a la dosis de LiF:Mg,Ti: amplio rango dosimétrico atención con la supralinealidad

rela

tive

resp

on

se

no

rma

lise

d to

1G

y

0

1

2

3

4

dose (Gy)

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

ap

pa

ren

t d

ose

(G

y)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

about 5% supralinearityat 3Gy


Variación de la respuesta del TLD según la calidad de la radiación

effective X-ray energy (keV)

10 100 1000 10000

rela

tive

TL

re

ad

ing

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

LiF compressed disks

LiF ribbons from Ruden 76


Materiales: ¡qué selección!…

• LiF:Mg,Ti (nivel de excelencia, máximo)

• CaF2 (100% natural, o con Mn, Dy or Tm)

• CaSO4

• BeO

• Al2O3 :C (sensibilidad record 1μGy)

• LiF:Mg,Cu,P (¿la nueva estrella?)


Lector de dosímetros TL

• Basado en fotomultiplicador

• Provisto de plancheta y calentador de

N2


¿Qué se puede esperar?...

• Reproducibilidad: una sola pastilla 2%

(0.1Gy, 1SD)

• Precisión (estándar de 4 pastilla ,

medición de 2 pastilla) 3% (0.1Gy,

95% confianza)

• Alrededor de 30 minutos por medición...


Placa radiográfica

• Reducción de haluro de plata a plata

• Requiere procesamiento/revelado --->

problemas con la reproducibilidad

• Dosímetro de dos dimensiones

• Alta resolución espacial

• Alto número atómico ---> variación de la

respuesta con la calidad de la radiación.


Placa radiográfica

Sección transversal

Por lo general

preembaladas para

facilitar su uso


Placa: respuesta a dosis

• Evaluación de la

placa vía densidad

óptica

• OD = log (I0 / I)

• Los densitómetros

están disponibles en

el mercado


Dosimetría de placa radiográfica en la práctica

• Depende de una

excelente GC del

procesador

• Generalmente empleada

para demostración de

distribuciones de dosis

• Problemas con la

precisión y variaciones en

la respuesta según la

energía de los rayos X


Película radiocrómica

• Nuevo revelado

• Sin procesamiento

• No (muy) sensible a la luz

• Mejor tejido-

equivalencia

• Cara


Dispositivos semiconductores

• Diodos

• Detectores MOSFET

Diodos para mediciones en maniquí de agua


Diodos

De Metcalfe y colaboradores 1996

Mayormente usados

como una fotocelda

que genera un voltaje

proporcional a la dosis

recibida.


Semiconductor de óxido metálico transistor de efecto de campo

From Metcalfe et al. 1996

MOSFETs = volumen

sensible extremadamente

pequeño


1. Irradiación

2. Carga

portadores atrapados

en el substrato de Si

3. Se altera la

corriente entre

la fuente y el drenaje


Voltaje de compuerta

durante la irradiación:

determina la sensibilidad

Lectura después de

la irradiación:

se requiere voltaje de

compuerta para

mantener corriente constante


Diodos y otros dispositivos de estado sólido

• Ventajas

– Lectura directa

– Sensibles

– Pequeñas dimensiones

– Posible

impermeabilidad al

agua

• Desventajas

– Sensibles a la

temperatura

– Sensibilidad puede

cambiar --> necesaria

re-calibración

– Necesario observar

procedimientos

sistemáticos de QA


Resumen de la conferencia 2

Cámaras de

ionización Semi-conductores TLDs Placas

Ventajas

Se comprenden bien,

precisas, disponibles

en variedad de formas

Pequeños,

robustos

Pequeños, no

necesitan cables

De dos dimensiones,

facilidad de uso

Desventajas Grandes, requieren

alto voltaje

Dependencia de la

temperatura

Lectura diferida,

manipulación

compleja

No tejido

equivalente, no muy

reproducible

Empleo más

generalizado

Dosimetría de

referencia, escaneo

del haz

Escaneo con haz,

dosimetría in vivo

Verificación de

dosis, dosimetría in

vivo

Garantía de calidad,

determinación de las

distribuciones de

dosis

Comentarios

La técnica dosimétrica

más generalizada e

importante

Los recientes

desarrollos

(MOSFETs)

pueden aumentar

utilidad

También

empleados para

intercomparaciones

dosimétricas

(auditorias)

Los recientes

desarrollos (placa

radiocroma) pueden

aumentar utilidad


Resumen general: Física

• En radioterapia, los fotones (rayos X y rayos gamma) y electrones constituyen los tipos de radiación más importantes

• La precisión en la dosis administrada es esencial para una buena practica en radioterapia

• La dosimetría absoluta determina la dosis absorbida en Gray en un punto de referencia bien definido. La dosimetría relativa correlaciona entonces la dosis en todos los demás puntos o la dosis bajo diferentes condiciones de irradiación con esta medición absoluta.

• Se dispone de múltiples técnicas para la dosimetría – ninguna es perfecta y se requiere entrenamiento y experiencia para seleccionar la técnica más apropiada para un propósito en específico y para la interpretación de los resultados


Dónde obtener más información

• Físicos médicos

• Libros de texto: Khan F. The physics of radiation therapy. 1994.

Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy X-

rays from linear accelerators. 1997.

Cember H. Introduction to health physics. 1983

Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics. 1993.


¿Preguntas?


Pregunta

¿Que tipo de detectores de radiación

pueden resultar útiles para la

dosimetría in vivo, y por qué?


En radioterapia la dosis que se administra al paciente es generalmente

demasiado grande para emplear placas radiográficas, las cuales

además son sensibles a la luz. Las cámaras de ionización son por lo

general frágiles y requieren alto voltaje, ambos aspectos no deseables

cuando se trabaja con pacientes. Por tanto, los TLDs son

frecuentemente empleados para dosimetría in vivo. Son pequeños, no

necesitan cables para la medición; y se dispone de materiales que son

virtualmente tejido equivalentes. Los TLDs se pueden complementar

con diodos en caso de requerirse una lectura inmediata (= dosimetría

activa). Al igual que los TLDs, los diodos son dosímetros de estado

sólido y por tanto sensibles y pequeños. Los restantes dosímetros de

interés en este grupo serían los MOSFETs.

Un tipo diferente de dosímetros in vivo lo constituyen los detectores de

dosis a la salida en forma de imagen portal electrónica (comparar con

parte 5). Estos demuestran ser muy valiosos para verificación directa.

Respuesta

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